一种基于微波能的联合破岩装置及施工方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于微波能的联合破岩装置及施工方法。

背景技术

微波加热损伤岩石作为一种新型的破岩手段被广泛应用于隧道掘进、边坡开挖、矿山开采等岩土领域，并基于其设计了各种破岩装置。现有微波辅助破岩装置均先利用微波照射损伤劣化岩石，再配合其他机械或者水力破碎装置进行破岩，以提高破岩效率。

如中国发明专利，文献号为CN111764821B，名称为一种微波水射流协同破岩方法与装置，其说明书记载“一种破岩系统，包括协同破岩装置，所述协同破岩装置包含：微波破岩装置，所述微波破岩装置用于对目标岩石实施微波辐射破岩；水流辅助破岩装置，所述水流辅助破岩装置用于在微波辐射破岩时对目标岩石实施水流冲射从而辅助破岩”。该破岩系统虽然利用水流与微波配合的方法，但是需要外接高压水流，还需对应设置一定的排水设施，不利于在含水较多的岩体中使用。同时，现有的其他微波照射配合机械破碎装置，通常首先使用微波照射弱化岩石强度，然后利用液压或者电力驱动机械切割破岩，从而减少机械截割头磨损并提高岩石破碎效率，这些装置均需要微波能、电能或液压能等多种驱动能量进行破岩，使得装置结构复杂且工序繁冗，不易大范围、快速破碎岩石。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术中存在的不足，提供一种基于微波能的联合破岩装置及施工方法，能够在同一破岩装置中将微波能分别转化为热能与机械能，实现微波照射结构和微波能驱动的机械破岩结构同步、大范围、快速破碎岩石，有效提高破岩效率和微波使用能效。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于微波能的联合破岩装置，包括微波发射模块，设置在钻孔内的微波引导结构，以及与微波引导结构配合设置的破岩结构；微波引导结构包括波导管，波导管位于钻孔外部的一端与微波发射模块连接；破岩结构包括微波照射结构和受微波能驱动的机械破岩结构，微波照射结构和机械破岩结构沿波导管轴向间隔一定距离交错设置；机械破岩结构包括微波吸能盘以及由穿透微波吸能盘的微波驱动的蒸汽推动结构，蒸汽推动结构连接有碎岩部件。

进一步的，波导管为空心圆柱状或者空心棱柱状，破岩结构突出波导管侧面且对称设置。

进一步的，微波照射结构包括与波导管固定连通的辐射管，辐射管远离波导管的一端连接有辐射防护盖，所述辐射管与防护管之间的夹角为45°～85°。

进一步的，辐射管呈圆台状，直径较小的底面与波导管连接，辐射管采用金属材质，辐射防护盖采用氮化硅陶瓷材料制成。

进一步的，蒸汽推动结构包括与波导管固定连通的压力缸，压力缸靠近波导管的一端密封设置有微波吸能盘，微波吸能盘由氮化硅陶瓷陶瓷材料制成，压力缸的内部与微波吸能盘间隔一定距离设置有内压盘，内压盘与微波吸能盘之间填充有易吸收微波且汽化的液体，内压盘远离微波吸能盘的一侧面与连杆的一端固定连接。

进一步的，内压盘远离微波吸能盘的一侧面固定连接有使内压盘恢复原位的复位弹簧，复位弹簧在液体产生蒸汽前处于放松状态，当受到蒸汽压力被向外推动时收缩，复位弹簧与压力缸固定连接。

进一步的，碎岩部件包括破岩盘，破岩盘与连杆的另一端固定连接；内压盘与微波吸能盘之间设置有压力传感器和温度传感器，钻孔的外部设置有温压监测仪，温压监测仪通过导线分别与压力传感器和温度传感器连接。

进一步的，压力缸上安装有泄压阀，泄压阀位于内压盘与微波吸能盘之间；波导管的外部套设有防护管，辐射管和压力缸的端部均超出防护管设置。

一种基于微波能的联合破岩装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤S1. 于岩体中钻取钻孔，并采集岩样，测定所要破坏岩石的抗拉强度数值；基于岩石抗拉强度值与压力缸承压安全值，调节泄压阀的压力释放阈值，然后将微波发射模块与波导管连接，并通过导线将温压监测仪与温度传感器、压力传感器连接，接着安装防护管，再接着安装辐射防护盖，检查一种基于微波能的联合破岩装置的各零部件工作状态，最后将一种基于微波能的联合破岩装置推送至钻孔内；

步骤S2. 打开温压监测仪与微波发射模块，并基于岩石抗拉强度值调节微波发射模块的加载功率；

步骤S3. 一部分微波经波导管和辐射管传导，穿透辐射防护盖加载于岩体，使得岩石加热进而损伤劣化；另一部分微波经波导管传导至微波吸能盘，继而穿透微波吸能盘进入压力缸中，液体吸收微波后升温相变转化为蒸气，并产生蒸汽压推动内压盘运动，内压盘通过连杆进一步带动破岩盘向外运动直至紧贴钻孔壁面，并施加作用力于岩体上；

步骤S4. 每隔60s～90s观测温压监测仪，并记录破岩过程中压力缸内温度值与压力值，当压力缸内温度达致液体沸点温度且压力数值接近岩石抗拉强度值时，缩短观测间隔时间至30s；

步骤S5. 通过观测温压监测仪，当发现压力缸内压力数值大于岩石抗拉强度值，并出现压力峰值后压力开始持续下降且下降时间≥30s时，表明岩石已被破坏，关闭微波发射模块1，继续观察温压监测仪，待压力缸内温度值＜30℃且压力值＜120kPa时，关闭温压监测仪；

步骤S6. 复位弹簧随压力缸内温度与压力下降，逐渐将内压盘推送至初始位置，内压盘通过连杆将破岩盘拉回工作初期位置；最后断开温压监测仪与压力传感器和温度传感器之间导线，断开微波发射模块与波导管之间的连接，将一种基于微波能的联合破岩装置由钻孔中取出，结束破岩。

本发明的有益效果是：本发明通过在同一破碎装置中设置微波照射结构和受微波能驱动的机械破岩结构，将微波能同步转化为热能与机械能，利用微波加热损伤岩石联合微波能驱动的机械破岩结构共同破岩；微波照射本身可使岩石损伤劣化，也会使机械破岩结构更容易碎裂岩石；两种破岩方式统一利用微波源作为破碎动力源，两种破碎方式协同作用，使得岩石破坏效率和效果得到“1+1>2”的大幅提升，能够大范围、快速碎岩，同时提高了微波使用能效，减少破岩装置复杂度并使得施工工序简单；该破岩装置使用过程中无噪声，无有毒气体及有害物质产生，绿色环保，无污染，而且不会产生强烈震动和冲击以及飞石等危险物，全程操作安全可靠，具有较高的安全性并可重复使用，设备损耗小，破岩成本低；不仅可用于花岗岩、页岩、煤体等不同特性的煤岩体破坏，同时可在岩石含水、高温、高地应力等恶劣环境中使用，应用场景广泛。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的剖视结构示意图；

图3为本发明的图2中A处放大结构示意图。

图中: 1、微波发射模块；2、温压监测仪；3、波导管；4、岩体；5、破岩盘；6、压力缸；7、辐射管；8、辐射防护盖；9、导线；10、钻孔；11、防护管；12、连杆；13、内压盘；14、压力传感器；15、温度传感器；16、微波吸能盘；17、液态水；18、泄压阀；19、复位弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明。

实施例：

如图1-3所示，一种基于微波能的联合破岩装置，包括微波发射模块1，设置在钻孔10内的微波引导结构，以及与微波引导结构配合设置的破岩结构；微波引导结构包括波导管3，波导管3位于钻孔10外部的一端与微波发射模块1连接；破岩结构包括微波照射结构和受微波能驱动的机械破岩结构，微波照射结构和机械破岩结构沿波导管3轴向间隔一定距离交错设置；机械破岩结构包括微波吸能盘16以及由穿透微波吸能盘16的微波驱动的蒸汽推动结构，蒸汽推动结构末端连接有碎岩部件；微波发射模块1用于产生和激发微波；波导管3为微波传导提供固定路径。

通过在同一破碎装置中设置微波照射结构和机械破岩结构，利用微波加热岩石联合微波能驱动的机械破岩结构，微波照射不仅使岩石加热损伤，也会使机械破岩结构更容易破碎岩石。两种破碎方式均利用微波源作为破碎动力源，两种破碎方式协同作用，提高了破岩效率和微波能利用率，且能够大范围快速碎岩。该破岩装置使用过程中无噪声，无有毒气体及有害物质产生，绿色环保，无污染，而且不会产生强烈震动和冲击以及飞石等危险物，操作全程安全可靠，具有较高的安全性并可重复使用，设备损耗小，破岩成本低。不仅可用于花岗岩、页岩、煤体等不同特性的煤岩体破坏，同时可在岩石含水、高温、高地应力等恶劣环境中使用，应用场景广泛。

波导管3为空心圆柱状或者空心棱柱状，破岩结构突出波导管3侧面且对称设置。

微波照射结构包括与波导管3固定连通的辐射管7，辐射管7远离波导管3的一端连接有辐射防护盖8，所述辐射管7与防护管11之间的夹角为45°～85°。

辐射管7呈圆台状，直径较小的底面与波导管3连接，辐射管7采用强反射微波的金属材质制成，辐射防护盖8采用氮化硅陶瓷材料制成，辐射防护盖8用于防护破岩过程中钻孔中岩体与尘土进入破岩装置。

蒸汽推动结构包括与波导管3固定连通的压力缸6，压力缸6靠近波导管3的一端密封设置有微波吸能盘16，微波吸能盘采用氮化硅陶瓷材料制成，微波吸能盘16与其固定，压力缸6的内部与微波吸能盘16间隔一定距离设置有内压盘13，内压盘13尺寸与压力缸6截面尺寸相适配，内压盘13与微波吸能盘16之间填充有易吸收微波且汽化的液体，如液态水17，液体吸收微波能后转化为蒸气压，用于提供破岩动能，内压盘13远离微波吸能盘16的一侧面与连杆12的一端固定连接。

内压盘13远离微波吸能盘16的一侧面固定连接有使内压盘13恢复原位的复位弹簧19，复位弹簧19在液体相变为蒸汽前处于放松状态，当受到蒸汽压力被向外推动时收缩，复位弹簧19与压力缸6固定连接，内压盘13由蒸气压推动，通过连杆12驱动破岩盘5向外运动；复位弹簧19用于在破岩结束后推动压力盘12回归至起始位置。

碎岩部件包括挤压破碎岩石的破岩盘5，破岩盘5与连杆12的另一端固定连接；内压盘13与微波吸能盘16之间设置有压力传感器14和温度传感器15，钻孔10的外部设置有温压监测仪2，温压监测仪2通过导线9分别与压力传感器14和温度传感器15连接。

压力缸6上安装有泄压阀18，泄压阀18位于初始位置的内压盘13与微波吸能盘16之间，泄压阀18连通压力缸6外部与内部，可调节压力缸6内蒸气压力大小，并在超过设定的压力安全阈值后泄压；波导管3的外部套设有防护管11，辐射管7和压力缸6的端部均超出防护管11设置。

一种基于微波能的联合破岩装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤S1. 选择花岗岩作为破岩对象，于岩体4中钻取直径为0.25m且深度为5.2m的钻孔10，用于安装直径

步骤S2. 打开温压监测仪2与微波发射模块1，并基于岩石抗拉强度值调节微波发射模块1的加载功率至2kW；

步骤S3. 一部分微波经波导管3和辐射管7传导，穿透辐射防护盖8加载于岩体4，使得岩石加热进而损伤劣化；另一部分微波经波导管3传导至微波吸能盘16，继而穿透微波吸能盘16进入压力缸6中，液体水17吸收微波后升温相变转化为蒸气，并产生蒸汽压推动内压盘13运动，内压盘13通过连杆12进一步带动破岩盘5向外运动直至紧贴钻孔壁面，并施加作用力于岩体4上；

步骤S4. 每隔60s～90s观测温压监测仪2，并记录破岩过程中压力缸6内温度值与压力值，当压力缸6内温度达致100℃且压力数值接近岩石抗拉强度值5MPa时，缩短观测间隔时间至30s；

步骤S5. 通过观测温压监测仪2，当发现压力缸6内压力数值大于5MPa，并出现压力峰值后压力开始持续下降且下降时间≥30s时，表明岩石已被破坏，关闭微波发射模块1，继续观察温压监测仪2，待压力缸内温度值＜30℃且压力值＜120kPa时，关闭温压监测仪2；

步骤S6. 复位弹簧19随压力缸6内温度与压力下降，逐渐将内压盘13推送至初始位置，内压盘13通过连杆12将破岩盘5拉回工作初期位置；最后断开温压监测仪2与压力传感器14和温度传感器15之间导线9，断开微波发射模块1与波导管3之间的连接，将一种基于微波能的联合破岩装置由钻孔10中取出，结束破岩。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。